卡拉姆卡斯綜合鉆井技術(shù)的應(yīng)用

段曉東

（中石油西部鉆探國際工程公司，新疆烏魯木齊830026）

卡拉姆卡斯油田位于哈薩克斯坦曼吉斯套州阿克套市以北約300km，油田部署水平井、開窗側(cè)鉆井、定向井和直井等井型，目前以直井為主。施工中存在白堊系上部地層軟泥巖水敏性強(qiáng)易縮徑；侏羅紀(jì)中部地層致密灰?guī)r段和砂泥巖硬夾層機(jī)械鉆速低；450～750m淺層氣發(fā)育，固井易形成井口竄氣和套間壓等難題，嚴(yán)重制約鉆井速度，口井建井周期約30d。為提高鉆井速度，改善該油田鉆井經(jīng)營情況，以縮短鉆井周期為目標(biāo)，以提高機(jī)械鉆速、解決套間壓問題、降低事故復(fù)雜時(shí)率為手段，形成一套綜合鉆井配套技術(shù)，提升區(qū)塊鉆井經(jīng)營能力。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

（1）易發(fā)生井口竄氣及“套間壓”難題?？ɡ房ㄋ箿\氣層主要分布在白堊系下部К1al地層，埋藏深度450～750m，膠結(jié)程度低，成巖性差，常規(guī)固井封堵難。由于水泥漿在凝固過程中的物理收縮、失重造成氣體上移，水泥石本身的微裂縫、套管與水泥之間的膠結(jié)失效或水泥與地層之間的膠結(jié)失效等因素都在對層間封隔進(jìn)行逐步破壞，從而形成氣體擴(kuò)散通道，當(dāng)淺層氣運(yùn)移到井口，就造成井口竄氣和套間壓。一旦出現(xiàn)井口竄氣和套間壓，補(bǔ)救會非常困難，且耗費(fèi)周期長，成功率低。2011～2014年，卡拉姆卡斯油田共計(jì)發(fā)生井口竄氣12例，補(bǔ)救施工平均耗時(shí)36.96d，但成功率僅為33%，采用環(huán)空擠注水泥使套管變形導(dǎo)致油井報(bào)廢6例，報(bào)廢率高達(dá)50%。

（2）小角度定向井增加了工序。從2014年開始，卡拉姆卡斯油田布置的小角度定向井?dāng)?shù)量逐年增多，井斜一般為6°～9°，最大不超過20°，從一開295mm井眼的80m處開始定向直至三開完鉆，定向段長820～850m，機(jī)械鉆速低、鉆井周期長、作業(yè)成本攀升。

（3）鉆機(jī)負(fù)荷小，鉆井參數(shù)強(qiáng)化有限，機(jī)械鉆速不高。侏羅紀(jì)中部地層存在致密灰?guī)r段和砂泥巖硬夾層，抗研磨性強(qiáng)、鉆頭配伍性差，使用常規(guī)鉆具不能獲得高機(jī)速，該段平均機(jī)械鉆速僅5.34m/h。

（4）表層軟泥巖地層易水化膨脹縮徑，經(jīng)常出現(xiàn)起下鉆遇阻、劃眼與倒劃眼復(fù)雜。

（5）目的層承壓能力弱，鉆井和固井作業(yè)易發(fā)生井漏復(fù)雜。

2 技術(shù)措施

2.1 全井型、全井段復(fù)合鉆井技術(shù)

2.1.1 優(yōu)選PDC鉆頭

該區(qū)塊地層以中軟泥巖為主，夾雜膏質(zhì)泥巖和致密灰?guī)r硬夾層，沒有礫石層。在鉆頭選型上采用鋼體單排齒大復(fù)合片4～5刀翼的ST915TU、M1955SS等抗沖擊性強(qiáng)的鉆頭，適合推進(jìn)“一趟鉆”工程，提高機(jī)械鉆速。鉆頭選型依據(jù)如下：

（1）選用4～5刀翼19mm復(fù)合片鉆頭，較低的布齒密度使鉆頭在相同鉆壓下單顆切屑齒的比壓更高，更有利于吃入地層，提高機(jī)械鉆速。

（2）選用鋼體鉆頭，刀翼深度更深，排屑空間更加寬敞，有利于巖屑及時(shí)排放，避免重復(fù)切削，有利于提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命。

（3）螺旋刀翼設(shè)計(jì)，鉆頭工作平穩(wěn)性增強(qiáng)，有利于提高鉆頭抗沖擊能力，符合“一趟鉆”需要。

2.1.2 全井段推行復(fù)合鉆井技術(shù)

一開?295.3mm井眼，二開?216mm井眼均使用“PDC+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)，充分發(fā)揮螺桿鉆具優(yōu)勢，減輕鉆機(jī)負(fù)荷，強(qiáng)化鉆井參數(shù)。

2.1.3 全井型采用PDC鉆頭定向

小角度定向井從80m定向，一開即下入“PDC+定向工具”鉆具組合，復(fù)合鉆至定向點(diǎn)后直接定向鉆進(jìn)，中間不起鉆更換鉆具結(jié)構(gòu)。

2.1.4 科學(xué)簡化鉆井工藝

積極推行復(fù)合鉆井技術(shù)和“一趟鉆”工程，?295.3mm井眼和?216mm井眼均使用“PDC+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)，充分發(fā)揮螺桿鉆具優(yōu)勢，強(qiáng)化鉆井參數(shù)，減少鉆機(jī)負(fù)荷。小角度定向井從80m定向，但是在二開就直接下入“PDC+定向工具”鉆具組合，復(fù)合鉆至定向點(diǎn)后直接定向鉆進(jìn)，中間不起鉆更換鉆具結(jié)構(gòu)。

2.2 水泥漿配方優(yōu)化技術(shù)

2.2.1引起井口竄氣的原因分析

水泥漿膠凝失重。水泥漿本身是一種膠凝材料，注入環(huán)空后，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，靜膠凝強(qiáng)度不斷增加。由于靜膠凝強(qiáng)度的支撐，水泥柱靜液壓力下降，當(dāng)靜膠凝強(qiáng)度隨水化增長到一定值時(shí)，水泥漿進(jìn)入“過渡狀態(tài)”，即水泥漿既不像液體也不像固體，此時(shí)，水泥漿處于失重狀態(tài)。當(dāng)環(huán)空靜膠凝強(qiáng)度低于地層壓力的時(shí)候，氣體就會進(jìn)入環(huán)空形成氣竄通道。

水泥石體積收縮。水泥漿進(jìn)入凝固階段后，水化作用加強(qiáng)，水泥水化造成基體的絕對體積減少，成為水泥化學(xué)收縮。天山G級水泥體積收縮率為5%～6%。根據(jù)能力最低原則，水泥石會朝著套管方向橫向收縮，結(jié)果會使水泥石與濾餅和地層脫開，出現(xiàn)微環(huán)隙，產(chǎn)生氣竄的通道。因此，保證水泥石體積不收縮或者微膨脹是防氣竄的重要措施。

井下條件變化導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效。在后期鉆井作業(yè)的影響及天然氣的化學(xué)侵蝕作用下，水泥環(huán)本身的機(jī)械損壞、套管與水泥之間的膠結(jié)失效或水泥與地層之間的膠結(jié)失效都在對層間封隔進(jìn)行逐步破壞。水泥環(huán)的機(jī)械失效導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)，膠結(jié)失效導(dǎo)致內(nèi)微環(huán)隙和外微環(huán)隙形成，為氣體運(yùn)移和上竄提供了通道。

2.2.2 優(yōu)選水泥漿配方

根據(jù)卡拉姆卡斯油田固井經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選低溫降失水劑JLS和晶體膨脹劑KW-2對水泥漿進(jìn)行改性，依靠KW-2晶體膨脹劑在水泥凝固失水過程中自身衍生的結(jié)晶膨脹壓和JLS低溫降失水劑吸附于水泥顆粒表面、堵塞水泥石內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)空隙的能力。具體實(shí)驗(yàn)見表1。

表1 水泥漿配方優(yōu)選

2.2.3 水泥石膨脹性能評價(jià)

隨JLS和KW-2的加量增大，水泥石抗壓強(qiáng)度和線膨脹率明顯增大，有利于密封環(huán)空微間隙，從而提高水泥環(huán)防竄能力。具體評價(jià)見表2。

2.2.4 水泥漿性能和稠化時(shí)間

表2 水泥石抗壓強(qiáng)度和線膨脹率(30℃)

表3 水泥漿工程性能

通過進(jìn)行不同配方的水泥漿性能實(shí)驗(yàn)（具體數(shù)據(jù)見表3），可以計(jì)算出2#配方的SPN值（水泥漿性能系數(shù)）為0.94，水泥漿防竄性能優(yōu)越，采用2#配方進(jìn)行淺氣層固井，有利于固井水泥漿體系防竄性能提高，從而改善淺氣層固井質(zhì)量。

2.3 優(yōu)化聚合物鉆井液

2.3.1 優(yōu)化鉆井液配方

通過優(yōu)選天然高分子聚合物IND30，其利用植物膠分子加長形成線性長鏈大分子的結(jié)構(gòu)，接枝了磺酸根基團(tuán)，既不易形成線團(tuán)型，又具備很好的抗鹽性，適合卡拉姆卡斯工業(yè)水質(zhì)和地表含鹽的情況。優(yōu)化大小分子聚合物的比例，控制大分子用量0.75%，配以1%NH4HPAN降失水調(diào)節(jié)流型，以及0.6%PAC-LV進(jìn)行降失水護(hù)膠，適當(dāng)加大燒堿用量至0.3%～0.4%；二開后期降低大分子濃度至0.4%～0.5%，保證鉆井液抑制性能的同時(shí)，適度分散，防止鉆屑粘結(jié)形成大泥塊而滯留粘附井壁，減少起下鉆遇阻復(fù)雜。

原鉆井液配方：3%土粉+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+1%FA-367+1%PAC-LV+0.8%XY-27+重晶石；

改進(jìn)后鉆井液配方：3%土粉+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+0.75%～0.4%IND30+1%NH4HPAN+0.6%PAC-LV（或CMC-MV）+重晶石。

2.3.2 細(xì)化鉆井液維護(hù)措施

(1)導(dǎo)管采用土漿或回收老漿，后期用膠液維護(hù)；

(2）一開采用0.75%IND-30+0.6%PAC-LV+1%NH4HPAN+0.4%NaOH的復(fù)配膠液維護(hù)，強(qiáng)化包被性能，抑制泥巖水化；二開適當(dāng)降低大分子濃度至0.4%～0.5%，防止大分子過量；以PAC-LV或CMC-MV護(hù)膠控制鉆井液失水小于5mL，有利于攜帶；以NH4HPAN調(diào)節(jié)鉆井液流變性，控制鉆井液具有良好的流變性能，對井壁進(jìn)行沖刷清洗，確保井眼清潔；

(3)進(jìn)入油層段前，加入隨鉆堵漏劑，加強(qiáng)鉆井液的封堵能力，保持適當(dāng)正壓差，預(yù)防溢流或井漏復(fù)雜情況的發(fā)生。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

綜合鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用，使得各項(xiàng)指標(biāo)均得以提高，其中有8口井建井周期小于15d。全年完成35口井，平均建井周期17.02d，平均機(jī)械鉆速12.95m/h，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率83%，復(fù)雜損失率0.9%，沒有發(fā)生井口竄氣和套間壓問題。相比以前完成井平均建井周期降低了14.66d，平均機(jī)械鉆速提高了4.62m/h。

4 認(rèn)識與建議

(1)全面推廣全井段全井型復(fù)合井技術(shù)，強(qiáng)化“一趟鉆”理念，可以大幅提高機(jī)械鉆速和行程機(jī)速；

(2)通過研發(fā)套間壓密封裝置，優(yōu)化固井配方，可將井口竄氣和套間壓問題減至最少；

(3)隨著卡拉姆卡斯鉆井綜合鉆井技術(shù)的成熟應(yīng)用，可將該區(qū)塊直井定向井建井周期控制在15d以內(nèi)。